中深层地热在城市供暖中的应用

0概述

热泵技术是利用低品位热能来实现供热品质的提升,为了获得温度更高且稳定的低温热源,最直接的方法是增加取热点深度。近年来,随着勘探技术的发展和地下换热装置的研发,深层的地热能逐渐被发掘。其中对于深度在2~3 km、岩层温度70~1 00℃的这部分地热应用前景最大。对于这部分中深层地热能,如果能通过密闭换热装置从中取热,在不破坏地下环境的前提下可以为热泵提供温度更高的低温热源,且基本不受气候条件影响,可以保证热泵机组长期、稳定地高效运行。

1项目概况

该项目为河南郑州某小区的住宅建筑,建设周期分为一期和二期,总建筑规模约为70万m2,经统计该小区供暖面积约为51万m2,根据原设计资料, 一期、二期分设独立换热站,由各自热网供给末端用户,末端用户为散热器供暖。由于项目所在社区市政热力条件缺乏,居民对采暖的需求强烈,为保证基本的民生要求,工程考虑采用中深层地热采暖的方式为居民供热。按照业主要求,新建能源站设置于小区西侧外围绿地内。

工程的设计范围包括室外取热井、室外热网、 供热站内的工艺及附属设施设计。小区内供热管网位于地下一层区域且已敷设完成并在原锅炉房内起点处预留接口。鉴于此次供热站为新建站,能源站供热管网总管从能源站引出后接入小区供热管网。

2负荷分析

2.1热负荷

根据设计资料,项目按70%入住率的供热负荷来进行设计,设计热负荷约为1 2 495 kW,其中低区采暖负荷约7 820 kW,高区采暖负荷约4 675 kW。考虑到建设单位提供的用热需求及周边小区的实际用热情况,此次设计提出负荷增长的需求,即按照 5年采暖接入率30%~70%爬坡考虑,第5年70% 达到规模来进行计算。根据原设计相关资料,供热管网中低区最不利环路阻力损失为76 kPa,采暖供水管循环水泵出口处工作压力为0.75 MPa;高区最不利环路阻力损失为64 kPa,采暖供水管循环水泵出口处工作压力为1.30 MPa。

2.2全年供热量

参照《民用建筑能耗标准》中对建筑耗热量指标约束值和引导值的相关规定,郑州地区约束值为0.2 GJ/m2·a,引导值为0.1 2 G J/m2·a,通过对类似工程的参考,该项目全年供热耗热量指标取0.2 GJ/m2·a。该项目供热参数见表1。

3供热分析

3.1地热井形式

中深层地埋管供热系统主要包括中深层地热换热系统、地热热泵系统、建筑室内供热系统,传统型地源热泵系统中所包含的地下水系统以及地表水系统都属于水热型的基本范畴,该范畴内的系统都受地质条件因素的影响较大,需要建立在水源充足的地区。而深层地热系统的热源是地下几千米深的高温岩石——干热岩,通过水与岩石之间的换热来达到加热水的目的,整个换热过程中仅存在着能量的交换,从而避免例如地下水系统中所存在的与经济过度开采、地下水污染等环境问题。相对于取热水+回灌技术利用形式,采用U型管间接取热方式,通过与深层地热的换热,来提高水温,不会对地下水系统产生直接影响,具有较为广阔的应用前景。因此,该项目推荐采用U型管间接取热方式。项目地下换热系统准备钻3组U型地热井,小区供暖项目采取深层地热井+水源热泵机组+风冷热泵提供热源。地热井井深2 700 m左右(以实际钻井数据为准),每组井设计总循环水量40 m3/h,抽取的热水出口温度70℃,地热尾水回水温度9℃。

3.2供热能力分析

参考周边类似项目,该工程供热主要采用中深层地热,其余不足部分由空气源热泵提供。来自地热井的70℃高温水通过一级板式换热器制取58℃的热水后降温至50℃,一级板换后的温水通过二级板换后降温至9℃返回地热井进行重新加热,二级板换的二次侧循环制取1 5/7℃的温水,温水供热泵机组蒸发端的冷却使用,机组高温侧循环末端58/48℃的采暖热水。末端总供热量Q总由一级板换热水Q1、热泵机组供热量Q2和风冷热泵机组Q3共同负担,即Q总=Q1+Q2+Q3,热泵机组的供热量可视为蒸发端的吸热量和自身输入功率之和。在该工程中,系统总供热量为Q总=1 2 495 kW。系统的装机原则为:热源供应系统的供应能力>冬季最大连续采暖负荷。

地热井供热Q1

Q1=1 20 m3/h×(70℃—50℃)×1.1 63 kW/(℃m3/h)=2 790 kW;

水源热泵机组供热Q2(热泵机组制热性能系数取3.8)

Q2=1 20 m3/h×(50℃—9℃)×1.1 63 kW/(℃m3/h)/(1-1/COP)=7 765 kW

风冷热泵机组供热Q3

风冷热泵提供地热井供热能力的不足部分,由Q总=Q1+Q2+Q3可知,Q3=Q总-Q1-Q2=1 2 495-2 790-7 765=1 940 kW该项目地热井直接利用部分所提供的最大供热量Q1+Q2约为1 0 555 kW,基本上能保证在60%入住率设计环境下的采暖热需求,但是考虑到入住率的增长以及极端天气下采暖热需求,项目需考虑辅助热源保证该项目冬季负荷不小于小区的需热量。根据现场实际情况以及周边项目的调研结果,选择采用风冷热泵作为补充热源。郑州低区冬季室外空调设计温度为-6℃,风冷热泵效率受环境影响较大,因此需设置在设计温度下的供热量大于Q3的设备。工程拟选择1 4台设计工况下制热量为1 55 kW的风冷模块化热泵机组,外机安装于室外屋面,水泵设置在能源站内,风冷热泵可根据后期负荷增长情况分期安装。

4系统流程

4.1系统流程

该工程地热井通过深井泵抽取循环水,地热井出水温度70℃,热水经一级换热器直接换热,把48℃的用户采暖回水加热到设计温度58℃,一级板换出水温度为50℃;一级板换后的地热尾水进入二次板换降温,通过二级板换制取1 5/7℃的二次温水,二次板换出水温度暂定9℃。二次温水通过热泵机组后冷却降温,冷凝端将用户48℃的回水提升至58℃再次循环。二次板换处理后的冷水回灌至地热井进行重新加热循环。风冷热泵作为补充热源,经循环水泵提升后并联至供热系统。供热系统原理图见图1。

4.2主要设备参数

该工程高区、低区独立供热,系统主要供热设备包括换热设备、提温设备、输送设备及相应的辅机等。除室外循环泵外,一期二期其余设备配置完全相同,按两套设计。

1)换热设备

该工程换热设备采用板式换热器,与末端建筑高、低区供热管网相对应,共分为一级板换和二级板换,设备参数见表2。

2)热泵机组

对于二次温水提升的水源热泵系统,设计热负荷共为7 734 kW,此次针对高、低区的供热相应分别选择1台和2台热泵机组;热泵机组主要参数见表3,其中风冷热泵选用超低温型模块化机组,并根据负荷增长情况分期安装。

3)水泵

水泵作为主要提水设备,室外地热井循环泵选

型原则是根据地热水的水质、水量、水温、出水压力,室内部分依据工艺流程与管道布置进行计算。水泵的选型计算可参照相关技术资料。

4.3运行模式

该系统应以优先利用地热资源直供为首要控制目标,在部分负荷时,优先采用板换机组供热,并根据负荷的增长需求对应开启相应的热泵台数,当水源热泵机组不能满足供热需求时开启相应的风冷热泵机组。热水采用一次泵变流量系统,与热泵机组、换热机组热水二次侧匹配的变频泵,供回水总管设压差旁通调节。项目供热系统二次侧采用量调节的运行方式。后续将结合厂区的实际使用情况,计算完善量调节时二级网供回水流量对应情况。

5结论与注意事项

1)该工程采用中深层地热器作为建筑稳定的供热热源,在系统中结合热泵辅助可保证系统稳定高效运行。供暖技术热源侧采用封闭式换热器,无需提取地下水,对地下水资源无影响。据统计,如果地埋管间距在50 m以上,经过1个供暖季的取热,地下土壤平均温降小于2℃,在供暖季结束后4个月即可恢复,夏季无需额外补热,保证热泵系统长期高效地运行,很好地适应了建筑的用能特点。

2)由于该工程为已建住宅小区,末端用户采暖方式为散热器取暖,末端供热温度达到58℃,经运行模拟分析,70%的入住率下系统全年运行综合效率COPa约为3.7,若按末端温度为45℃设计时,系统全年运行综合效率COPa可达到7以上。因此,地热供暖项目应在前期规划,供暖温度应结合项目热源使用情况进行综合考虑,才能发挥地热清洁供暖的高效、节能意义。

3)中深层地热供热技术应用应在对当地地热资源勘察的基础上进行技术经济分析,尽可能地对地热资源充分利用,降低地热尾水的回水温度。该工程地热尾水回灌温度为9℃;如系统采用地下水取热形式,应确保换热后的地热尾水回灌到同一含水层,且不得对地下水资源造成浪费和污染。